DE3720841A1 - Schmiermittel fuer die metallumformung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein wäßriges Schmiermittel für die
Kaltumformung von Metallen sowie ein Verfahren zur
Erleichterung der Kaltumformung von metallischen
Werkstücken mit Hilfe dieses Schmiermittels.
Bei der Kaltumformung ist es üblich, die Werkstücke mit
einer Schmiermittelüberzug zu versehen, um dadurch den
Reibungswiderstand zwischen Metalloberfläche des
Werkstückes und dem Umformungswerkzeug zu verringeren.
Hierfür sind im wesentlichen zwei Methoden gebräuchlich.
Eine besteht darin, Schmiermittel mit Hochdruckadditiven
oder Viskositätsregulatoren einzusetzen, wenn geringere
Umformungsgrade gefordert sind. Die andere sieht vor,
zunächst aus organischer Phase einen Schmiermittelfilm auf
Harzbasis und anschließend ein Schmieröl aufzubringen,
wenn schwere Umformungen beabsichtigt sind.
In jüngerer Zeit nimmt die Verwendung von Schmiermittel
für die unterschiedlichsten Zwecke ständig zu. Bei
schweren Umformungsbedingungen erfüllen die vorgenannten
Schmiermittelsysteme ihre Aufgabe nicht mehr
zufriedenstellend. Gewisse Probleme hinsichtlich
Umweltschutz und Arbeitsplatzhygiene ergeben sich aus dem
häufig vorhandenen Gehalt an organischen Lösungsmitteln.
Auch Aspekte der Feuergefährlichkeit spielen eine oft
bedeutende Rolle.
Von weiterer erheblicher Bedeutung bei der Anwendung von
Schmiermitteln ist die Frage, ob der nach der Umformung
auf dem Werkstück verbliebene Schmiermittelfilm in
einfacher Weise, z. B. mit Hilfe eines alkalischen
Reinigers, zu enfernen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schmiermittel für die
Kaltumformung von Metallen bereitzustellen, mit dessen
Hilfe auch schwere Umformungen in zufriedenstellender
Weise durchführbar sind, das auf organische Lösungsmittel
verzichten kann und dessen Rückstände nach der Umformung
in einfacher Weise entfernt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst, indem man das wäßrige
Schmiermittel der eingangs genannten Art entsprechend der
Erfindung derart formuliert, daß es einen Gehalt an 10 bis
35 Gew.-% eines wärmehärtbaren Harzes auf Acrylatbasis mit
einem Glasübergangspunkt von -10 bis +25°C, an 3 bis 15
Gew.-% Wachs und an 0,5 bis 5 Gew.-% Tensid aufweist,
wobei das Gewichtsverhältnis von wärmehärtbarem Harz zu
Wachs auf 2 bis 12 eingestellt ist.
Üblicherweise läßt man das wäßrige Schmiermittel an der
Luft, ggf. durch zusätzliches Erhitzen auftrocknen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung setzt
man ein Schmiermittel ein, daß ein wärmehärtbares Harz der
allgemeinen Formel -(Ra-Rb-Rc-Rd) n - enthält, wobei Ra,
Rb, Rc, Rd unterschiedliche Monomere darstellen und "n"
der Polymerisationsgrad mit 1000 bis 50 000 ist.
Hierbei spielt die Reihenfolge der einzelnen Monomere im
Harz keine Rolle. Der Wert für "n" innerhalb der Grenzen
von 1000 und 50 000 ist derart zu wählen, daß ein Harz
mit einem Glasübergangspunkt -10°C bis +25°C
resultiert. Die Herstellung des Harzes kann erfolgen,
indem man eine Mischung der Monomeren bei einer Temperatur
von 50 bis 60°C für die Dauer von 5 bis 7 Stunden
polymerisiert. Die Polymerisation der Monomeren kann auch
in Lösung oder Dispersion erfolgen. Je nach Methode können
dabei von Wasser verschiedenen Lösungsmittel, z. B. Ethanol
oder Isopropanol, verwendet oder mitverwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
bestehen darin, das Schmiermittel mit einem wärmehärtbaren
Harz zu formulieren,
- - bei dem Ra mindestens ein Monomer aus der Gruppe Vinyltoluol, Styrol, Methylmethacryl und Acrylnitril ist und einen Anteil von 20 bis 70 Gew.-% am Harz hat,
- - bei dem Rb mindestens ein Monomer aus der Gruppe eines Acrylesters, erhalten durch Reaktion von Acrylsäure mit einem primären aliphatischen Alkohol mit 1 bis 12 C-Atomen, oder eines Methacrylesters, erhalten durch Reaktion von Methacrylsäure mit einem primären aliphatischen Alkohol mit 3 bis 12 C-Atomen ist und einen Anteil an 20 bis 70 Gew.-% am Harz hat,
- - bei dem Rc mindestens ein Monomer aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, 2-Hydroxyethylmethacrylat-Phosphorsäureester bzw. Salzen hiervon ist und einen Anteil von 1 bis 15 Gew.-% am Harz hat,
- - bei dem Rd mindestens ein Monomer aus der Gruppe 2-Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat, Hydroxypropylacrylat, N-Methylolacrylamid oder Ester hiervon, Diacetonacrylamid und Glycidylmethacrylat ist und einen Anteil von 1 bis 20 Gew.-% am Harz hat.
Geeignete Wachse sind beispielsweise Paraffinwachs,
tierisches oder pflanzliches Öl, höhere Fettsäuren, höhere
Alkohole, Ester von höheren Fettsäuren und höheren
Alkoholen, höhere Fettsäureamide, höhere Fettsäureamine
und dergleichen. Damit der Schmiermittelfilm fest
bleibt, ist es entsprechend einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung zweckmäßig, Wachse mit einem Schmelzpunkt
oberhalb 45°C einzusetzen. Eine Möglichkeit, den
Schmelzpunkt des Wachses zu erhöhen, besteht in der
Wasserstoffanlagerung an Doppelbindungen.
Als Tensid sind insbesondere solche vom anionischen oder
nichtionischen Typ geeignet. Beispiele für anionische
Tenside sind Natriumalkylnaphthylsulfonat,
Natriumalkylbenzolsulfonat und Türkischrotöl. Beispiele
für nichtionische Tenside sind Polyoxyethylenalkylether
mit der Alkylgruppe eines höheren Alkohols,
Polyoxyethylennonylphenolether,
Polyethylenglykol-Fettsäureester und
Sorbitol-Fettsäureester.
Das Tensid ist insbesondere für die Emulgierung bzw.
Dispergierung des Wachses in Wasser verantwortlich. Zur
weiteren Verbesserung kann mechanisches Rühren unter
zusätzlicher Zugabe eines Homogenisierungsmittels erfolgen.
Eine weitere zweckmäßige Formulierung des wäßrigen
Schmiermittels besteht in einem zusätzlichen Gehalt an
festem Schmiermitteladditiv. Beispiele hierfür sind
Graphit, Molybdändisulfid, Talk, Teflon, Bornitrid,
Kalziumkarbonat, Melamin, Cyanursäureaddukte und
dergleichen.
Der Vorzug der Verwendung eines wärmehärtbaren Harzes auf
Acrylatbasis ergibt sich aus folgendem Sachverhalt. Bei
der Kaltumformung von Metallen entsteht Wärme, die die
Temperatur von Werkstück und Werkzeug erhöht. Je schwerer
die Umformung ist, desto größer ist die Wärmeentwicklung
und damit die Temperaturerhöhung. Bei kontinuierlicher
Umformung tritt zudem eine Wärmeakkumulation auf.
Gegenüber thermoplastischen Harzen auf Acrylatbasis, die
bei Erwärmung über den Glasübergangspunkt erweichen und
dadurch einen Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug
nicht verhindern können, wird mit wärmehärtbaren Harzen
auf Acrylatbasis dieser Kontakt und infolgedessen ein
Anfressen mit Sicherheit vermieden. Diesen Vorteil
besitzen wärmehärtbare Harze nicht schlechthin. Viele
Harze härten in der Weise aus, daß sie der mit der
Umformung verbundenen Ausdehnung des Werkstückes nicht
folgen können. Als Folge hiervon reißt der
Schmiermittelfilm und es kommt zu dem bereits vorstehend
erwähnten Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug. Viele
der wärmehärtbaren Harze sind nach der Umformung auch
nicht mehr einfach zu entfernen, z. B. mit Hilfe eines
alkalischen Reinigers.
Überraschenderweise sind in den wärmehärtbaren Harzen auf
Acrylatbasis mit einem Glasübergangspunkt von -10°C bis
+25°C die Vorteile der hervorragenden Haftung auf der
Metalloberfläche, die Flexibilität bzw. Anpaßbarkeit an
die Dehnung und die leichte Entfernbarkeit des
Schmiermittelfilms nach der Umformung vereinigt. Bei einem
Glasübergangspunkt unter -10°C wird der
Schmiermittelüberzug zu weich, so daß er bei der Umformung
entfernt werden kann. Bei Werten oberhalb +25°C wird der
Überzug zu hart und die Anpaßbarkeit an die Dehnung des
Werkstückes ist nicht mehr in ausreichendem Maße gegeben.
Insoweit werden die günstigsten Ergebnisse erzielt, wenn
man ein Schmiermittel einsetzt, das ein Harz auf
Acrylatbasis mit einem Glasübergangspunkt von 0 bis +5°C
enthält.
Wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, sind - in
den jeweils angegebenen Mengen - der Monomeranteil Ra
insbesondere für die Härte und Dehnungsfestigkeit, der von
Rb insbesondere für die Dehnbarkeit, der von Rc
insbesondere für die Haftung auf der Metalloberfläche und
die Dispergierbarkeit des Harzes und der von Rd
insbesondere für eine zusätzliche Haftungsverbesserung
verantwortlich.
Wird der Anteil des Monomers Ra von 20 Gew.-%
unterschritten, kann der Schmiermittelüberzug zu weich,
beim Überschreiten von 70 Gew.-% zu hart werden. In beiden
Fällen ist eine einwandfreie Trennwirkung für
Werkstück/Werkzeug nicht mit Sicherheit gewährleistet.
Gelangt der Anteil des Monomers Rb unter 20 Gew.-% wird
der Glasübergangspunkt erhöht und die Überzugsausbildung
bei Raumtemperatur kann sich verschlechtern. Bei einem
Anteil über 70 Gew.-% kann die Härte des
Schmiermittelüberzugs zu gering werden.
Die Wirkung der Anteile der Monomere Ra und Rb ist
weitgehend gegenläufig, so daß es auf deren Ausgewogenheit
ankommt.
Bei einem Anteil des Monomers Rc außerhalb der
vorgeschriebenen Grenzen kann die Haftung des Überzuges zu
gering und die Entfernbarkeit des verbliebenen
Schmiermittelfilms mit einem alkalischen Reiniger
verschlechtert werden (bei unter 1 Gew.-%). Auf der
anderen Seite kann die Viskosität des Schmiermittels stark
ansteigen, wodurch dessen Applikation erschwert würde, und
dessen Hygroskopizität steigen, was wegen der
Wasseraufnahme mit einer verminderten Haftung verbunden
wäre (bei mehr als 15 Gew.-%).
Sofern der Monomeranteil von Rd unter 1 Gew.-% sinkt, kann
die Vernetzung des Harzes unbefriedigend werden, wodurch
der Widerstand bei Wärmeeinwirkung absinken könnte. Bei
Werten über 20 Gew.-% kann der Grad der Vernetzung so
stark ansteigen, daß die Flexibilität des
Schmiermittelüberzuges verloren geht. Für das
Hydroxyalkylmethacrylat ist ein Anteil von 5 bis 15
Gew.-%, für N-Methylolacrylamid oder Glycidylmethacrylat
ein solcher von 1 bis 5 Gew.-% optimal.
Das Gewichtsverhältnis von wärmehärtbarem Harz zu Wachs
ist insofern von Bedeutung, als bei einem Unterschreiten
von 2 die Haftung des Schmiermittelüberzuges nachläßt, so
daß der Überzug reißt. Bei einem Überschreiten von 12 läßt
die Schmierwirkung nach. Der bevorzugte Bereich liegt in
den Grenzen von 4 bis 6.
Für den Tensidgehalt ist wesentlich, daß bei zu geringen
Konzentrationen das Dispergiervermögen zu stark
zurückgeht, und daß bei zu hohen Konzentrationen das
Schmiervermögen des Überzuges beeinträchtigt wird. Neben
den bevorzugten Tensiden vom anionischen oder
nichtionischen Typ können auch kationische oder amphotere
Tenside verwendet werden.
Die Applikation des Schmiermittels erfolgt auf die
gereinigten Werkstücke durch Tauchen, Spritzen, Bürsten,
Übergießen oder Rollenauftrag bei Raumtemperatur. Dann
wird getrocknet. Zweckmäßigerweise wird an der Luft
getrocknet, dann auf 80 bis 120°C erhitzt und schließlich
gehärtet. Durch die Verfahrensweise wird die Haftung des
Schmiermittelüberzuges verbessert. Die Höhe des
Überzugsgewichtes richtet sich im wesentlichen nach der
vorgesehenen Umformung. Sie kann u. a. durch die
Konzentration der Schmiermittelkomponenten geregelt werden.
Bei geringen Umformungsgraden sind 0,5 bis 5 g/m2, bei
starken Umformungsgraden 5 bis 30 g/m2 vorteilhaft (als
trockener Überzug angegeben).
Mit Hilfe der Erfindung können Schmiermittelüberzüge mit
Trockengewichten von 0,5 bis 30 g/m2 aufgebracht werden,
mit denen jede übliche Kaltumformung durchführbar ist. Der
Überzug besitzt eine hervorragende Haftung und
Trennwirkung. Bei Erwärmung des Überzuges auf 100 bis
150°C als Folge der gebildeten Umformungs- und
Reibungswärme folgt er ohne Filmbruch der sich bildenden
Form des Werkstückes und verhindert dadurch wirksam ein
Anfressen. Nach der Verformung kann der restliche
Schmiermittelfilm in einfacher Weise mit Hilfe eines
alkalischen Reinigers entfernt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele
beispielsweise und näher erläutert.
Rohre aus Edelstahl der Qualität SUS 304, gebeizt und
wassergespült, wurden mit verschiedenen Schmiermitteln bei
20°C für die Dauer von 1 min im Tauchen behandelt. Die in
den Schmiermitteln enthaltenen Komponenten hinsichtlich
wärmehärtbares Harz und Wachs sind in den nachfolgenden
Tabellen 1 und 2 näher beschrieben.
Nach Trocknung an der Luft während einer Stunde erfolgte
eine weitere Trocknung mit 100°C heißer Luft während 30
min. Das erzeugte Schichtgewicht lag innerhalb des
Bereiches von 10 bis 15 g/m2. Die Rohre wurden dann auf
einer Ziehbank gezogen und bezüglich ihres Aussehens und
der Entfernbarkeit des auf der Oberfläche verbliebenen
Schmiermittelfilms bewertet.
Rohrabmessung: 25 mm Durchmesser
2,5 mm Wandstärke
2000 mm Länge Querschnittsreduktion: 32% Ziehgeschwindigkeit: 17,8 m/min.
2,5 mm Wandstärke
2000 mm Länge Querschnittsreduktion: 32% Ziehgeschwindigkeit: 17,8 m/min.
Zur Ermittlung der Entfernbarkeit des nach dem Ziehen
verbleibenden Schmiermittelfilmes wurden die Rohre in eine
alkalische Lösung von 90°C für die Dauer von 1 Stunde
getaucht. Die Lösung enthielt 3 Gew.-% Natriumhydroxid,
1,5 Gew.-% Natriumtripolyphosphat und Tensid. Der Grad der
Entfernbarkeit wurde visuell bewertet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Bleche der gleichen Stahlqualität mit den Abmessungen 50 ×
100 × 0,8 mm wurden mit den gleichen Schmiermitteln unter
identischen Bedingungen, wie vorstehend für die Rohre
angegeben, behandelt. Sie wurden dann dem Bauden-Test zur
Bestimmung des Friktionskoeffizienten und der Gleitzahl
bis zum Auftreten von Anfreß-Marken unterworfen.
Gleitgriffel:Stahl der Qualität SUJ-2
5 mm Durchmesser Belastung: 5 kg Gleitgeschwindigkeit:10 mm/sec Gleitamplitude:30 mm Testtemperatur:25°C
5 mm Durchmesser Belastung: 5 kg Gleitgeschwindigkeit:10 mm/sec Gleitamplitude:30 mm Testtemperatur:25°C
Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 niedergelegt.
Stahlrohre mit der Qualität und Vorbehandlung wie in
Beispiel 1 wurden mit Hilfe einer handelsüblichen
Oxalatierungslösung (Ferrbond A; 35 g/l, Beschleuniger 16;
1 g/l der Nihon Parkerizing Co.) mit einem Oxalatüberzug
versehen (Behandlungstemperatur 90°C, Behandlungsdauer 10
min). Nach Wasserspülung wurden die Rohre bei 80°C
während 3 min in einer Schmiermittellösung (Bonderlube
235 der Nihon Parkerizing Co; 70 g/l) behandelt und
getrocknet. In gleicher Weise wurden Stahlbleche
behandelt. Anschließend wurden die in Beispiel 1
beschriebenen Tests durchgeführt.
Die Tabellen 3 und 4 enthalten die Ergebnisse.
Stahlrohre der in Beispiel 1 beschriebenen Qualität und
Vorbehandlung wurden bei Raumtemperatur 1 min. in ein im
Verhältnis 1 : 1 mit Toluol verdünntes Harz getaucht
(Hangsterfer 111 QD der Fa. Hangsterfer) und dann 1 Tag an
der Luft getrocknet. Das erzeugte Schichtgewicht betrug
10 g/m2. Nach weiterer Applikaton eines Schmieröls (J-1
der Fa. Hangsterfer) wurden die Rohre wie in Beispiel 1
angegeben gezogen und bewertet. Entsprechend behandelte
Bleche wurden dem Bauden-Test unterworfen.
Die Testergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4
niedergelegt.
Es wurde der Versuch gemäß Beispiel 1 mit Schmiermittel 1
wiederholt, jedoch enthielt das darin gelöste Harz No. 1
nicht die Vernetzungskomponente Rd (HEMA). Das
Schichtgewicht lag im Bereich von 10 bis 15 g/m2.
Die für Rohre und Bleche erhaltenen Testergebnisse sind
wiederum in den Tabellen 3 und 4 wiedergegeben.
Es wurde der Versuch gemäß Beispiel 1 mit dem
Schmiermittel No. 3 wiederholt, jedoch enthielt das Harz
No. 3 nicht die vernetzende Komponente Rd (HPA).
Die für Rohre und Bleche erhaltenen Testergebnisse sind in
den Tabellen 3 und 4 niedergelegt.
Wie Tabelle 3 zeigt, besitzen die mit den
erfindungsgemäßen Schmiermitteln erzeugten
Schmiermittelüberzüge hervorragende Schmiereigenschaften.
Sie sind deutlich besser als die mit Hilfe der
Vergleichsversuche hergestellten Schmiermittelüberzüge.
Weiterhin sind die nach der Erfindung erzeugten
Schmiermittelüberzüge hinsichtlich der Entfernbarkeit nach
dem Ziehen den anderen Schmiermittelüberzügen weit
überlegen.
Im Hinblick auf den Bauden-Test veranschaulicht Tabelle 4
den besseren Friktionskoeffizient und den höheren
Widerstand gegenüber Anfreß-Erscheinungen, die mit den
Überzügen gemäß Erfindung im Vergleich zu bekannten
Überzügen erhalten wurden.
Claims (11)
1. Wäßriges Schmiermittel für die Kaltumformung von
Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Gehalt
an 10 bis 35 Gew.-% eines wärmehärtbaren Harzes auf
Acrylatbasis mit einem Glasübergangspunkt von -10 bis
+25°C, an 3 bis 15 Gew.-% Wachs und an 0,5 bis 5
Gew.-% Tensid aufweist, wobei das Gewichtsverhältnis
von wärmehärtbarem Harz zu Wachs auf 2 bis 12
eingestellt ist.
2. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein wasserhärtbares Harz der allgemeinen Formel
-(Ra-Rb-Rc-Rd) n - enthält, wobei Ra, Rb, Rc, Rd
unterschiedliche Monomere darstellen und "n" der
Polymerisationsgrad mit 1000 bis 50 000 ist.
3. Schmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es ein wärmehärtbares Harz
enthält, bei dem Ra mindestens ein Monomer aus der
Gruppe Vinyltoluol, Styrol, Methylmethacryl und
Acrylnitril ist und einen Anteil von 20 bis 70 Gew.-%
am Harz hat.
4. Schmiermittel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß es ein wärmehärtbares Harz
enthält, bei dem Rb mindestens ein Monomer aus der
Gruppe eines Acrylesters, erhalten durch Reaktion von
Acrylsäure mit einem primären aliphatischen Alkohol
mit 1 bis 12 C-Atomen, oder eines Methacrylesters,
erhalten durch Reaktion von Methacrylsäure mit einem
primären aliphatischen Alkohol mit 3 bis 12 C-Atomen
ist und einen Anteil an 20 bis 70 Gew.-% am Harz hat.
5. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ein
wärmehärtbares Harz enthält, bei dem Rc mindestens ein
Monomer aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure,
Maleinsäure, Itaconsäure,
2-Hydroxyethylmethacrylat-Phosphorsäureester bzw.
Salzen hiervon ist und einen Anteil von 1 bis 15
Gew.-% am Harz hat.
6. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein
wärmehärtbares Harz enthält, bei dem Rd mindestens ein
Monomer aus der Gruppe 2-Hydroxyethylmethacrylat,
Hydroxypropylmethacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat,
Hydroxypropylacrylat, N-Methylolacrylamid oder Ester
hiervon, Diacetonacrylamid und Glycidylmethacrylat ist
und einen Anteil von 1 bis 20 Gew.-% am Harz hat.
7. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Wachs mit
einem Schmelzpunkt oberhalb 45°C enthält.
8. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein anionisches
und/oder nichtionisches Tensid enthält.
9. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich ein
festes Schmiermitteladditiv enthält.
10. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ein
wärmehärtbares Harz auf Acrylatbasis mit einem
Glasübergangspunkt von 0 bis +5°C enthält.
11. Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von
metallischen Werkstücken mit Hilfe des Schmiermittels
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß man das Schmiermittel auf
die Metalloberfläche aufbringt, an der Luft unter
Ausbildung eines Überzugsgewichtes von 0,5 bis 30
g/m2 auftrocknet, auf eine Temperatur von 80 bis
120°C erhitzt (Objekttemperatur) und schließlich
härtet.
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